惊艳国外的世界十大建筑奇迹-央视大楼，中国基建狂魔又一次见证

1引言

央视新址大楼是中国最大的国家电视频道新总部大楼,它位于北京中央商务区东三环以东,光华路以北,朝阳路以南。

整个开发项目总建筑面积599万m2,占地面积187万m2,其中包括一个媒体外景园区。央视大楼提供47万m2的建筑面积(相当于三个典型的高层大楼)其中设有可以满足央视将业务扩展成为一家国际化广播公司需要的全部演播室、各种设施以及办公室空间。

该大楼高234m,其外形象是一个三维连续弯折的循环,楼内包含整个电视制作全过程所需空间:新闻、广播、演播室、行政办公区以及公共区域。大楼的两栋塔楼以10°倾斜,13层楼高的悬臂部分在162m高空处连接,底部则是10层楼的裙房及3层地下室。

包括大型剧场和酒店在内的公共设施位于电视文化中心(TC)内,整个建筑群通过一个专门的服务楼提供全部楼宇设备服务,其中设有主要的设备机房以及园区内安保设施,具有显著的规模效益。楼宇机电设计除了能源中心外,包括独立的供电系统,备用发电机和电气网络管理系统,具有弹性的且有效率的供电能力。

2002年该建筑方案作为吸引众多知名建筑事务所的国际设计比赛中的获奖设计方案公布于众。这个独特的概念设计(图1,图2)是荷兰大都会设计事务所(OMA)与奥雅纳工程顾问公司(Arup)合作完成的。根据央视所有设施都要集中在同一个园区内的设计要求,OMA方案成功地把所有业务功能安置在一个‘互相连接的活动循环”内。

图1中央电视台新址大楼的原始建筑概念方案

图2设计竞赛阶段建筑外观的发展过程

奥雅纳为该楼的结构、机电、岩土、消防、通讯及安保工程提供咨询服务。华东设计研究院(ECAD作为本地设计院合作。设计团队亦包括其他专业顾问结构体。

2.1外部主要结构

项目自从一开始就确定在整个外墙面上布置结构系,创造一个本质上是连续的外筒结构体系,由此才能实现央视大楼建筑外形的表达。这将为整个结构提出最大的有效尺寸,用于抵抗外形弯折并且倾斜产的巨大弯矩,以及风荷载与极端地震荷载这个“筒”是通过在外墙各个面布满斜撑形成的图（3）。

图3均布的斜撑布局

斜撑展开面在整栋大楼是连续分布的,因此可加强大楼角部刚度。考虑到大楼奇特的几何形体该结构体系非常适合应对大楼所受到不同性质和大小的恒载与活载,而且是一个可以使塔楼间的弯矩和扭矩产生联系的、通用而高效的结构体系;它将荷载传递至地面时,可以为塔楼提供足够的强度和刚度,同时加强基座和塔楼低区楼层的稳定性;以最优的分布方式将荷载传递至基础。

施工期间,斜撑筒体结构为倾斜的塔楼提供充足的刚度,使两塔楼在连接并相互支撑前,都能在严格的允许误差范围内安全地施工。此结构亦适合悬臂部分的建造,容许两个“半截的”悬臂部分在连接前分别临时悬挑于两塔楼之连续的筒体具有很高的稳固性及冗余度,即使在罕见的意外事件中,当重要的结构构件被移除时,亦能提供可行的传力路径。

这个结构形式为钢结构为主的大楼提供了较低自重的解决方案,并加强了抗震性能。由此,除了分外部柱由于荷载较大的原因而使用型钢混凝土组合柱,大楼内所有的结构支撑构件都为钢结构,楼板则是铺设在钢梁上的组合楼板筒体的初始设计是以柱、周边圈梁和斜撑有规律地组成两层楼高的典型模块化组件(图4)。之所以选择这种方案,是为了适应塔楼内若干两层层高的演播室的空间要求。

图4央视大楼连续的环形结构

然而初步分析结果显示,大楼斜撑的受力情况在结构的不同位置变化相当大,特别是集中于悬臂的根部以及同基座连接的部份。因此在优化过程中,根据设计所需的强度和刚度,结合地震分析,增加或减少斜撑数量(如:翻倍或减半)由于该结构拥有很高的超静定次数,每次改变都会使结构的动力性能发生变化,因此地震力会被不同的构件所吸收,这是一个迭代次数十分高的分析过程该过程中结构工程师始终与建筑师持续保持着紧密的合作,因为斜撑的布置是决定外立面视觉上在是否美观的要点,这加强了结构与建筑之间的透明度。优化工作亦在一定程度上使斜撑构件截面尺寸标准化(图5,图6)。

图5斜撑布置图

图6最终斜撑布置展开图

2.2内部结构

内部结构是由核心筒及周围钢柱支撑组成的。核心筒内设有电梯和服务竖井。最初的设计曾考虑使用倾斜的核心筒,以配合倾斜的塔楼,并使楼板布置保持一致性。然而由于种种原因,包括电梯系统采购问题等限制,放弃了这个方案。

由于外立面倾斜和内部核心筒垂直,建筑每层都拥有独一无二的楼面布置。也就是说,每个楼层的楼板与核心筒或内部钢柱间的跨度都在变化。随着楼层升高,向外倾斜的一侧楼板跨度逐渐增加,由此增加的梁高将对建筑净高产生影响,为此在高区附加柱并由转换桁架支撑(图7)这些两层层高的桁架横跨内部核心筒与外部筒体结构。结构与机电设计(MEP)团队进行合作,协调机电层桁架的可行位置,从而使桁架在祝觉上较为隐蔽,并对楼层的规划影响降低到最小。

图7内部结构与转换桁架的剖面图

关于这些构件对塔楼结构性能的影响经过了详细的确保它们不会使地震荷载路径复杂化。

整栋大楼共需要50组桁架(图9,图10)，悬臂部分中的楼层是由布置在标准柱网上的柱支撑的,这些柱布置在底部两层桁架上,转换桁架在两个方向上与两个塔楼的外筒连接。这两个楼层用于公众使用,其中包括一个空中的观景大厅(图8)主转换桁架也位于大楼的基座(裙房)部分。

这些桁架横跨主要的演播室上空,用于支撑上层的柱和楼面23基础每个塔楼基础为桩筏基础,筏板最厚处为7m并延伸到塔楼首层投影范围以外,其作用如同脚趾样,将力由柱分散到桩。地基系统的布局使筏板中心靠近每个塔楼底部的荷载中心,并且使33m长的钢筋混凝土桩中不存在永久受拉的桩。某些桩的受拉现象只允许发生在重大地震事件中。

图8悬臂部分中的公众空中观景大厅

图9由地面支撑的柱

图10由转换桁架支撑的柱

一号塔楼下共有370根桩，较矮的二号塔楼下共有288根桩，所有桩的直径都为1200mr塔楼以外，9层楼高的基座和3层地下室使用传统的筏板基础,并使用抗拔桩抵抗由深18m地下室受到的水浮力。

3结构分析

3.1超限高层建筑抗震设防专项审查与审批《中国建筑抗震设计规范(GB50011)》根据不同的建筑结构体系制定了一系列的高度限制,同时限制了建筑的平面不规则性与竖向不规则性。

虽然楼高234m的央视大楼满足了筒体钢结构体系的高度限制,但是平面不规则性与竖向不规则性未能满足规范要求。因此该设计审批需要通过超限高层建筑抗震设防专项审查(EPR)。

奥雅纳为了在设计初期阶段同审查专家小组保持接触,曾经进行了三次非正式会议,从而得以在2004年1月进行最终汇报并通过之前,获得了审查专家意见并争取了信任。

3.2基于性能的抗震设计方法

由于抗震设计不在规范允许的范围内,奥雅纳自初期开始就提出了基于性能的抗震设计方法,采用最基本原理和最先进的方法及指导方针,使设计方案在不同地震水准下仍能达到相应的性能指标。

为了验证大楼在小震、中震、大震下的设计性能,使用了适用的线性与非线性地震分析,详细并量化地检验了设计方案。这些都超出中国常用的建筑设计标准,是经过设计小组与专家小组磋商后而制定出来的,体现了大楼对于央视乃至中国政府的重要性。一些基本的量化性能目标如下：

当遭遇50年一遇(50年超越概率63%)的多遇地震(小震)时,大楼不会遭受任何结构损坏；

当遭遇475年一遇(50年超越概率10%)的设防地震(中震)时,大楼可能遭受可修复的结构损坏；

当遭遇2500年一遇(50年超越概率2%)的罕遇地震(大震)时,大楼容许遭受严重的结构损坏但绝不能倒塌。

3.3非线性上部结构设计及性能验证

为了证明建筑设计能够达到性能目标,设计中使用了线性与非线性地震响应模拟方法对建筑在小震中震、大震下的设计性能进行了验证通过大量的线性弹线分析验证小震下的性能,包括所有的荷载组合,如自重、地震力及风荷载的影响。

对所有单个构件设计都进行了大量的验证,并且验证了建筑整体的性能。特定的构件亦进行了在中震下的弹性分析,也就是说确保一些重要构件,例如柱,在中震下能处于弹性阶段对于大震的抗震设计,连续筒体内主要结构构件的非弹性变形允许限值是通过它们在屈曲后的表现进行非线性数值模拟得到的。

软件“ LS-DYNA"原先用于分析汽车碰撞模拟,使用该软件对构件屈曲后的表现进行分析。屈曲后的表现对于斜撑来说尤其重要它对于建筑的抗侧力和竖向传力都极为重要,并且是在重大地震时主要延性和地震耗能的来源。

在建立了这些允许限值后,下一步就是对整栋建筑进行中震和大震下的三维非线性地震性能数值模拟。非线性动力时程分析方法用于决定地震变形,即最大非弹性层间位移以及最大非弹性构件变形。

这些变形将逐层、逐个构件地与结构变形最大限值进行比较,从而验证整栋楼的抗震性能(图11)由于计算量巨大,非线性分析需要数周时间完成几年前,几乎不可能在一个合理的时间范围内设计完成一栋楼;随着计算机的发展,如今如果再次进行设计时,用于分析计算时间将显著缩短对于央视大楼,整体和局部地震变形都分别满足其允许限值,证明中震和大震下都能够满足量化性能目标。

图11非线性分析中大震下屈服的斜撑

3.4节点设计

如上所述,外筒结构内的斜撑是结构体系的关键构件。这些斜撑与柱的连接都需要谨慎的设计及详细的考虑,才能确保“强节点一弱构件"的能力节点必须能够抵抗由斜撑传递过来的最大荷载,并出现最小限度的屈服及相对较低程度的应力集中从斜撑和边梁传递至柱的力必须对柱中原有应力产生最小的影响,“蝴蝶"状钢板将帮助荷载更流畅地传递。

在周期性的地震荷载下,焊接的位置需要防止脆性断裂(在1994年洛杉矶的北岭地震后发现普遍为连接破坏)。利用三维有限元工具“MSC/ NASTRAN模拟并分析“蝴蝶”状的连接在斜撑屈曲或屈服之前的应力大小和应力的集中程度(图12）

图12斜祥节点的详细研究

4物理实验

作为超限高层建筑抗震设防专项审查程序的一部分,按要求进行三个物理试验以验证分析的计算结果。

“ 蝴蝶板”节点试验——清华大学用1:5比例模型测试柱一斜撑节点,以验证其在循环荷载下的性能,特别是针对构件在节点破坏之前由于屈服而产生破坏。

组合柱试验—同济大学用1:5比例模型测试非常规型钢混凝土柱。进行这些测试的原因是高含钢率可能会导致延性降低振动台试验——对整栋大楼用7m高1:35比例的模型在不同地震下进行进行结构性能测试(包括大震)。该测试在中国建筑科学研究院(CABR)进行使用美国和日本以外最大的振动台(图13)。在所有情况下,物理实验与分析密切相关。

图13振动台试验模型

5电视文化中心及服务楼

园区内其他两栋大楼都分别为独立的结构。电视文化中心高159m,内部为五星级的文华东方酒店以及裙楼,其中包括1500座的剧院、电影院、录音棚音像室和展览馆。

建筑面积共95万m2酒店楼层布置在中厅南北两翼。核心筒位于中厅东侧,生成一个“C”型的平面布置(图14、图15),由混凝土核心筒与框架柱提供稳定性。然而在动力荷载下,不对称的核心筒位置以及平面布置导致扭转变形。因此,大堂西侧设有巨型斜撑,横跨两组带有疏散楼梯的次级核心筒。中厅上空横跨几条布置有餐馆、酒吧和技术功能的“廊桥”。这些桥由钢结构构成,并由转换桁架支撑。

图14电视文化中心平面图,显示核心筒及巨型斜撑位置

图15电视文化中心分析模型,显示核心筒及巨型斜撑位置

裙楼由几组不连续的结构构成,根据楼板跨度的不同使用钢结构或混凝土框架。为实现其建筑形式整栋大楼屋顶为一个大跨度的空间钢结构框架。屋顶在塔楼与裙楼间设有伸缩缝(图16)服务楼为2300m2的两层环形大楼(图17),包含三层地下室。其中设有为央视大楼和电视文化中心服务的主要设备机房,通过地下通道连接,还设有央视大楼广播车辆的停车场。在提供规模效益服务楼也减少了央视大楼屋顶重型设备的数量。

图16建设中的电视文化中心:部分建成的空问框架后方可见巨型斜撑

图17基础施工

该大楼为混凝土框架结构。由于该楼需在其他两栋主楼完工前完成调试,因此在施工过程中该楼为关键的一环

6施工顺序及特定技术说明

大楼的最终应力与施工顺序有关。除了结构上常规的重力与侧向力之外,也有因施工额外产生显著的力。由于两塔楼通过悬臂连接之前始终为两个独立倾斜的塔楼,在连接之前“锁定”到塔楼和地基的额外弯矩和倾覆力矩,取决于连接时结构与幕墙已经施工完成了多少。

从本质上讲,在两塔楼连接之前,荷载越大,锁定在塔楼中的倾覆力矩就越大。连接后,任何增加的重量会通过悬臂在两座塔楼之间产生推力此,分段施工是结构设计和分析中考虑的重要因素。为使承包商在施工方法和程序上具有灵活性在设计分析时考虑了施工条件的上限和下限,模拟两塔楼连接完成之前的两种情况(图18)。

图18施工顺序研究

在这两个极端情况之间,承包人可以选择适当的安装程序为了沟通类似工程施工问题,奥雅纳准备了一份特殊技术说明(PTS)作为招标文件的一部分。针对央视的设计对承包提出了以下要求施工顺序与其对构件最终应力的影响确保大楼和构件在施工允许误差内依照设计布局施工悬臂部分的施工与连接的措施

7施工

动工仪式于2004年9月22日举行,体积达87万m3的三层地下室的挖据工程亦在10月启动。中国建筑工程总公司于2005年4月获选为工程总承包打桩工程始于2005年夏天,而塔楼的筏板则于同年12月动工(图19)。7m厚的钢筋混凝土板使用了39万m混凝土及5千吨钢筋。每个筏板都以持续54小时的连续浇筑而制成。在其中一个阶段,来自三个供应商共160辆混凝土搅拌车进行接力,提供每小时70m的混凝土量。

图19服务楼

冷水管被安装于浇筑部分内,监控持续了两周多,以确保混凝土在养护过程中不会受到较大的温差影响第一个柱构件于2006年2月13日完成安装。在接下来的26个月内完成安装共41882件钢构件,总重达125000吨,最高峰达每月完成8000吨。型钢构件于上海宝钢及江苏沪宁完成组装,然后路运至工地。

构件由分别位于塔楼内的两座塔吊吊起,包括从澳洲进口的“ Favco m1280D”吊车,是当时中国建筑工业中使用过最大型的吊车。施工过程中,每座吊车不光要升高14次,还要侧移4次,以保持它相对于持续变化的楼板边缘的位置不变柱的最大板厚度为110mm,焊接的体积在一些情况下可达连接总重量的15%。

在极端的例子中些邻近塔楼底部的连接板为100mm厚钢板,其所需焊接长度达15m,每一个连接板都需要一周时间完成为了确保这些较厚的截面可以达到满意的性能,设计进行了详细的材料说明。

根据设计时的计算,悬臂的角部会在建筑恒载影响下移动约300mm。为了使建筑在恒载作用下没有向下的位移,整个结构需要向上并向后预先起拱(图20）,承包商则需要持续监测施工,确保实际的移位与分析的假设和预期相一致。承包商委托中国建筑科学研究院进行位移检测,同时清华大学根据特殊技术说明负责对建筑的位移作出预测,并对起拱作出分析。

图20起拱的基本概念

在两座塔楼顶部的钢结构完成后,悬臂部分的施工于2007年8月正式开始,在接下来的5个月内结构构件从两座塔楼上逐渐向外悬挑出来。

在连接之前,两座塔楼会受环境的因素影响,特别是风及温度导致膨胀和收缩,从而产生各自独立的移动。然而,在它们连接起来之后,连接部位的构件必须能够抵抗由于相对移动所产生的应力。

因此,连接的策略是利用延后节点,容许一些构件能够松散地连接于塔楼之间,然后在任何相对移动发生前把它们快速地锁紧,并安全地承担这些力奥雅纳展开详细的研究,分析了由风及温度而产生相对移动所形成的力对塔楼的影响、可以到满意连接的最少“连接数",以及在锁定后由温度所产生的应力对结构性能的影响。

特殊技术说明中要求连接的施工应在一个没有风的上午进行,并且两座塔楼的温度均匀,相对移位最在连接前塔楼的相对移位约为±10mm。承包商在24小时前进行空的最后测量(在同样的环境下)因此连接构件的长度能够在安装前于地面上进行最后的调整承包商在最初的连接阶段选择在悬臂内角安装七个连接构件(图21)。

在2007年12月8日上午9点左右,七个构件被吊至适当位置(在±10mm的允许误差内)并用轴承临时固定后,塔楼慢慢地互相移近(图22)。

图21最初的七个连接构件

图22第一件连接构件的安装

轴承承担由温度产生的力,而节点焊接则在接下来的48小时内完成最初连接完成后,悬臂部分剩下的钢结构工程将逐步施工。除了主要的钢构件外,一块厚20mm的连续钢板放置在悬臂部分的最底层,用作抵抗支撑作用下较高的平面内应力混凝土楼板在整个主要结构完成后施工,因此在半完成的阶段能够降低结构所承受的荷载。同样,包含抗震检验的施工阶段分析亦需要考虑这个工序。

于2008年3月27日举行的完工仪式标志着整个钢构工程的施工正式完成。然而因为复杂的装修要求,到2012年才可以开始从央视大楼播出电视频道节目

8小结

本文意在介绍央视大楼令人震惊的设计所带来的技术复杂程度与创新的结构解决方案。

奥雅纳公司严密的设计是这栋大楼成功的关键,由国际工程师组成的一个核心团队在4个不同城市间工作,在10个月内提交了方案设计和初步设计,最终获得超限高层建筑抗震设防专项审查批准这个项目。

证实了一栋具有许多复杂技术挑战的建筑能在一个紧张的计划安排内成功完成。为了充分利用公司的经验和知识,公司派出了一个国际化的设计小组,从而可以在不同地点和文化之间进行无缝的协调,在此期间设计人员几乎是常驻OMA的办公室并展开设计协调工作。

如今率先在央视大楼实行的性能设计方法已成功地应用于中国的其他诸多项目中。

图23已完成照片